CN114563551B - 一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，适用于煤炭安全领域使用。首先进行模拟突出试验的准备工作，煤粉中间隔埋设有多个放电探头，放电探头通过设置在试件腔体侧壁上的转换接口通过导线连接有电火花震源，然后开展突出孕育准备工作，并通过动载扰动诱发煤与瓦斯突出，最后对突出后的试验数据进行处理和分析；其操作简单、安全，能真实模拟煤矿现场瓦斯渗流状态下的煤与瓦斯突出孕育、发生、发展全过程，系统研究不同吸附压力、不同渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置对煤与瓦斯突出的影响规律，并确定突出动力学失稳判据，对于煤与瓦斯突出防治具有重要的意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种试验方法，尤其适用于煤炭安全检测使用的一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法。
背景技术
煤与瓦斯突出是煤矿生产中遇到的一种极其复杂的矿井瓦斯动力现象，其特征是在一定的时间内，由煤体向巷道或采场突然抛出大量的煤炭，并涌出大量的瓦斯。它能在很短的时间内，由煤体向巷道或采场突然喷出大量的瓦斯及煤岩，在煤体中形成特殊形状的孔洞，并伴随一定的动力效应，如推倒矿车、破坏支架等，喷出的煤粉可以充填数百米长的巷道，喷出的煤粉-瓦斯流有时带有暴风般的性质，瓦斯可以逆风流运行，充满数千米长的巷道。
煤与瓦斯突出动力现象不是简单的气固耦合问题，而是煤体在瓦斯动态渗流与动静载叠加条件下的破坏失稳过程。然而目前煤与瓦斯突出研究中，多是类似于“爆米花”式的突出试验过程，突出口瞬间打开后是否发生突出，主要取决于静载条件下的煤体强度与箱体内气压大小，忽略了现场采掘影响下，煤体始终处于瓦斯渗流状态，且突出多是由动载扰动诱发，煤体的破坏失稳主要取决于动静载叠加条件下的煤体强度与煤壁内外气压梯度，同时突出的持续发展离不开远处瓦斯的渗流补充。因此，需要对突出物理模拟手段进行创新，以更加接近现场真实情况。
发明内容
针对现有技术的不足之处，提供一种步骤简单，使用方便，试验效果好的一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法。
为实现上述技术目的，本发明的一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，使用的设备包括柱状的试件腔体，试件腔体的柱状结构的一端内设有活塞作用的加载压板，加载压板上连接有动静加载油缸，柱状结构的另一端设有中心处设有模拟突出口的支撑板，支撑板与加载压板之间的试件腔体内充满煤粉，煤粉与支撑板之间设有渗流板，加载压板在试件腔体内分隔出的非煤粉空腔保证气密性；
支撑板的另一侧连接有柱状的成型模具，成型模具上连接有模拟突出巷道，柱状的成型模具内设有模拟煤柱，模拟突出巷道与模拟煤柱之间设有煤柱密封板；
所述煤粉中间隔埋设有多个放电探头，放电探头通过设置在试件腔体侧壁上的转换接口通过导线连接有电火花震源，加载压板在试件腔体中分隔出不含煤粉的腔体部分的侧壁上开有腔体进气口，腔体进气口通过管路分别连接有真空泵和气体缓存罐，气体缓存罐管路连接有二氧化碳气瓶；加载压板和试件腔体的渗流板上均开有渗流孔，并通过支撑板和突出口连通；
具体步骤如下：
1)首先进行模拟突出试验的准备工作：
1a)去模拟煤层的现场取回原煤，测试原煤抗压强度，包括测试不同轴压、不同粒径条件下型煤抗压强度，确定与原煤最为接近的型煤成型条件；
1b)将原煤破碎，并筛分出与原煤最为接近的型煤成型粒径的煤粉，取出加载压板后将煤粉装入试件腔体内部，同时在煤粉不同位置布置电火花震源的放电探头，放电探头的接线通过设置在试件腔体壁面上的转换接口进行连接密封；装入加载压板后通过动静加载油缸对煤粉施加与原煤最为接近的型煤成型压力进行成型；在加载油缸的加载压板和试件腔体的渗流板上均开有渗流孔，并通过支撑板和突出口连通；
1c)通过压力机对成型模具内的煤粉进行压制成型为煤柱，将成型模具连同煤柱安装于突出口，另一侧连接模拟突出巷道，并通过煤柱密封板进行密封；
2)进行突出孕育准备工作：
2a)打开腔体进气口，之后利用真空泵对试件腔体抽真空；
2b)通过动静加载油缸对型煤施加预定的静载荷；
2c)以同样有吸附性的惰性气体二氧化碳模拟现场瓦斯源，防止电火花引爆瓦斯，保证安全，打开二氧化碳气瓶，将高压气体注入至气体缓存罐，并通过腔体进气口注入至试件腔体，直到构成型煤的煤粉在预定气压下吸附平衡；
3)进行型煤的突出诱发：
3a)打开煤柱密封板，观察是否发生突出；若直接发生突出，则表明煤体能量较高或突出临界值较低，需要重复步骤1和2，同时调整试验方案中动静加载油缸施加的静荷载、吸附平衡压力和模拟煤柱的二氧化碳渗流速度，直到打开煤柱密封板后在无扰动条件下不发生突出；
3b)打开煤柱密封板，若没有发生突出，则二氧化碳气体处于由煤粉构成的型煤内部向模拟煤柱动态渗流的状态，同时通过气体缓存罐持续地进行二氧化碳气体补给，确保腔体进气口气压稳定在预定值，然后通过动静加载油缸对煤粉构成的型煤施加低应变率循环扰动，观察突出情况，若发生突出，则结束试验；
3c)施加低应变率循环扰动后，若10min内没有发生突出，认为低应变率扰动下不会诱发突出，则进一步通过电火花震源依次控制不同位置放电探头，对型煤施加高应变率冲击扰动，并逐渐增大放电扰动能量直到诱发突出。
4)对发生突出后的处理：
4a)成功诱发突出后，导出试验数据，统计突出煤粉和煤柱质量，计算突出强度；；
4b)按照试验方案，依次开展不同试验参数组合条件下的突出试验，包括不同吸附压力、不同渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置；
4c)分析不同浓度二氧化碳气体模拟瓦斯渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置对突出强度的影响规律，确定突出临界值，得到突出动力学失稳判据。
进一步，成型模具连同煤柱分别通过法兰与支撑板右侧和模拟突出巷道左侧进行密封连接，并可通过改变压力机成型压力，调整煤柱压实程度，以模拟现场不同瓦斯的渗流速度。
进一步，电火花震源可连接多个放电探头，布置于煤粉不同位置，并能实现循环充放电同时能改变放电能量大小，模拟不同位置、不同能量、不同次数的动载扰动，确保成功诱发突出。
有益效果：本发明的渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，能真实模拟煤矿现场瓦斯渗流状态下的煤与瓦斯突出孕育、发生、发展全过程，系统研究不同吸附压力、不同渗流速度、不同静载应力以及不同动载扰动形式和能量大小对煤与瓦斯突出的影响规律，并确定突出动力学失稳判据，对于煤与瓦斯突出防治具有重要的意义。
附图说明：
图1为本发明渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法使用装置示意图。
图2为本发明渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法流程图。
图中：1-煤粉，2试件腔体，3-电火花震源，4-放电探头，5-转换接口，6-动静加载油缸，7-加载压板，8-渗流板，9-支撑板，10-突出口，11-成型模具，12-模拟煤柱，13-模拟突出巷道，14-煤柱密封板，15-腔体进气口，16-真空泵，17-二氧化碳气瓶，18-气体缓存罐。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明的实施例做进一步说明：
本发明的一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，如图1所示，使用的设备包括柱状的试件腔体2，试件腔体2的柱状结构的一端内设有活塞作用的加载压板7，加载压板7上连接有动静加载油缸6，柱状结构的另一端设有中心处设有模拟突出口10的支撑板9，支撑板10与加载压板7之间的试件腔体2内充满煤粉1，煤粉1与支撑板9之间设有渗流板8，加载压板7在试件腔体2内分隔出的非煤粉空腔保证气密性；
支撑板9的另一侧连接有柱状的成型模具11，成型模具11上连接有模拟突出巷道13，柱状的成型模具11内设有模拟煤柱12，模拟突出巷道13与模拟煤柱12之间设有煤柱密封板14；
所述煤粉1中间隔埋设有多个放电探头4，放电探头4通过设置在试件腔体2侧壁上的转换接口通过导线连接有电火花震源3，加载压板7在试件腔体2中分隔出不含煤粉1的腔体部分的侧壁上开有腔体进气口15，腔体进气口15通过管路分别连接有真空泵16和气体缓存罐17，气体缓存罐17管路连接有二氧化碳气瓶17；加载压板7和试件腔体的渗流板8上均开有渗流孔，并通过支撑板9和突出口10连通；
如图2所示，具体步骤如下：
1)首先进行模拟突出试验的准备工作：
1a)去模拟煤层的现场取回原煤，测试原煤抗压强度，包括测试不同轴压、不同粒径条件下型煤抗压强度，确定与原煤最为接近的型煤成型条件；
1b)将原煤破碎，并筛分出与原煤最为接近的型煤成型粒径的煤粉1，取出加载压板7后将煤粉1装入试件腔体2内部，同时在煤粉1不同位置布置电火花震源3的放电探头4，放电探头4的接线通过设置在试件腔体2壁面上的转换接口5进行连接密封；装入加载压板7后通过动静加载油缸6对煤粉1施加与原煤最为接近的型煤成型压力进行成型；在加载油缸6的加载压板7和试件腔体的渗流板8上均开有渗流孔，并通过支撑板9和突出口10连通；
1c)通过压力机对成型模具11内的煤粉进行压制成型为煤柱12，将成型模具连同煤柱12安装于突出口10，另一侧连接模拟突出巷道13，并通过煤柱密封板14进行密封；
2)进行突出孕育准备工作：
2a)打开腔体进气口15，之后利用真空泵16对试件腔体2抽真空；
2b)通过动静加载油缸对型煤施加预定的静载荷；
2c)以同样有吸附性的惰性气体二氧化碳模拟现场瓦斯源，防止电火花引爆瓦斯，保证安全，打开二氧化碳气瓶18，将高压气体注入至气体缓存罐18，并通过腔体进气口15注入至试件腔体2，直到构成型煤的煤粉1在预定气压下吸附平衡；
3)进行型煤的突出诱发：
3a)打开煤柱密封板14，观察是否发生突出；若直接发生突出，则表明煤体能量较高或突出临界值较低，需要重复步骤1和2，同时调整试验方案中动静加载油缸6施加的静荷载、吸附平衡压力和模拟煤柱12的二氧化碳渗流速度，直到打开煤柱密封板14后在无扰动条件下不发生突出；
3b)打开煤柱密封板14，若没有发生突出，则二氧化碳气体处于由煤粉1构成的型煤内部向模拟煤柱12动态渗流的状态，同时通过气体缓存罐18持续地进行二氧化碳气体补给，确保腔体进气口15气压稳定在预定值，然后通过动静加载油缸6对煤粉1构成的型煤施加低应变率循环扰动，观察突出情况，若发生突出，则结束试验；
3c)施加低应变率循环扰动后，若10min内没有发生突出，认为低应变率扰动下不会诱发突出，则进一步通过电火花震源依次控制不同位置放电探头，对型煤施加高应变率冲击扰动，并逐渐增大放电扰动能量直到诱发突出。
4)对发生突出后的处理：
4a)成功诱发突出后，导出试验数据，统计突出煤粉和煤柱质量，计算突出强度；；
4b)按照试验方案，依次开展不同试验参数组合条件下的突出试验，包括不同吸附压力、不同渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置；
4c)分析不同浓度二氧化碳气体模拟瓦斯渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置对突出强度的影响规律，确定突出临界值，得到突出动力学失稳判据。
成型模具11连同煤柱12分别通过法兰与支撑板9右侧和模拟突出巷道13左侧进行密封连接，并可通过改变压力机成型压力，调整煤柱12压实程度，以模拟现场不同瓦斯的渗流速度。电火花震源3可连接多个放电探头4，布置于煤粉1不同位置，并能实现循环充放电同时能改变放电能量大小，模拟不同位置、不同能量、不同次数的动载扰动，确保成功诱发突出。
Claims (3)
1.一种渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，其特征在于：使用的设备包括柱状的试件腔体（2），试件腔体（2）的柱状结构的一端内设有活塞作用的加载压板（7），加载压板（7）上连接有动静加载油缸（6），柱状结构的另一端设有中心处设有模拟突出口（10）的支撑板（9），支撑板（9）与加载压板（7）之间的试件腔体（2）内充满煤粉（1），煤粉（1）与支撑板（9）之间设有渗流板（8），加载压板（7）在试件腔体（2）内分隔出的非煤粉空腔保证气密性；
支撑板（9）的另一侧连接有柱状的成型模具（11），成型模具（11）上连接有模拟突出巷道（13），柱状的成型模具（11）内设有模拟煤柱（12），模拟突出巷道（13）与模拟煤柱（12）之间设有煤柱密封板（14）；
所述煤粉（1）中间隔埋设有多个放电探头（4），放电探头（4）通过设置在试件腔体（2）侧壁上的转换接口通过导线连接有电火花震源（3），加载压板（7）在试件腔体（2）中分隔出不含煤粉（1）的腔体部分的侧壁上开有腔体进气口（15），腔体进气口（15）通过管路分别连接有真空泵（16）和气体缓存罐（18），气体缓存罐（18）管路连接有二氧化碳气瓶（17）；加载压板（7）和试件腔体的渗流板（8）上均开有渗流孔，并通过支撑板（9）和突出口（10）连通；
具体步骤如下：
1）首先进行模拟突出试验的准备工作：
1a）去模拟煤层的现场取回原煤，测试原煤抗压强度，包括测试不同轴压、不同粒径条件下型煤抗压强度，确定与原煤最为接近的型煤成型条件；
1b）将原煤破碎，并筛分出与原煤最为接近的型煤成型粒径的煤粉（1），取出加载压板（7）后将煤粉（1）装入试件腔体（2）内部，同时在煤粉（1）不同位置布置电火花震源（3）的放电探头（4），放电探头（4）的接线通过设置在试件腔体（2）壁面上的转换接口（5）进行连接密封；装入加载压板（7）后通过动静加载油缸（6）对煤粉（1）施加与原煤最为接近的型煤成型压力进行成型；在动静加载油缸（6）的加载压板（7）和试件腔体的渗流板（8）上均开有渗流孔，并通过支撑板（9）和突出口（10）连通；
1c）通过压力机对成型模具（11）内的煤粉进行压制成型为煤柱（12），将成型模具连同煤柱（12）安装于突出口（10），另一侧连接模拟突出巷道（13），并通过煤柱密封板（14）进行密封；
2）进行突出孕育准备工作：
2a）打开腔体进气口（15），之后利用真空泵（16）对试件腔体（2）抽真空；
2b）通过动静加载油缸对型煤施加预定的静载荷；
2c）以同样有吸附性的惰性气体二氧化碳模拟现场瓦斯源，防止电火花引爆瓦斯，保证安全，打开二氧化碳气瓶（17），将高压气体注入至气体缓存罐（18），并通过腔体进气口（15）注入至试件腔体（2），直到构成型煤的煤粉（1）在预定气压下吸附平衡；
3）进行型煤的突出诱发：
3a）打开煤柱密封板（14），观察是否发生突出；若直接发生突出，则表明煤体能量较高或突出临界值较低，需要重复步骤1）和2），同时调整试验方案中动静加载油缸（6）施加的静荷载、吸附平衡压力和模拟煤柱（12）的二氧化碳渗流速度，直到打开煤柱密封板（14）后在无扰动条件下不发生突出；
3b）打开煤柱密封板（14），若没有发生突出，则二氧化碳气体处于由煤粉（1）构成的型煤内部向模拟煤柱（12）动态渗流的状态，同时通过气体缓存罐（18）持续地进行二氧化碳气体补给，确保腔体进气口（15）气压稳定在预定值，然后通过动静加载油缸（6）对煤粉（1）构成的型煤施加低应变率循环扰动，观察突出情况，若发生突出，则结束试验；
3c）施加低应变率循环扰动后，若10 min内没有发生突出，认为低应变率扰动下不会诱发突出，则进一步通过电火花震源依次控制不同位置放电探头，对型煤施加高应变率冲击扰动，并逐渐增大放电扰动能量直到诱发突出；
4）对发生突出后的处理：
4a）成功诱发突出后，导出试验数据，统计突出煤粉和煤柱质量，计算突出强度；
4b）按照试验方案，依次开展不同试验参数组合条件下的突出试验，包括不同吸附压力、不同渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置；
4c）分析不同浓度二氧化碳气体模拟瓦斯渗流速度、不同静荷载、不同扰动荷载形式、扰动能量、扰动源位置对突出强度的影响规律，确定突出临界值，得到突出动力学失稳判据。
2.根据权利要求1所述渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，其特征在于：成型模具（11）连同煤柱（12）分别通过法兰与支撑板（9）右侧和模拟突出巷道（13）左侧进行密封连接，并可通过改变压力机成型压力，调整煤柱（12）压实程度，以模拟现场不同瓦斯的渗流速度。
3.根据权利要求1所述渗流状态下动载诱发煤与瓦斯突出试验方法，其特征在于：电火花震源（3）可连接多个放电探头（4），布置于煤粉（1）不同位置，并能实现循环充放电同时能改变放电能量大小，模拟不同位置、不同能量、不同次数的动载扰动，确保成功诱发突出。
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